3.1.1.1. Mô phỏng dòng chảy bằng mô hình MIKE NAM
a) Thiết lập
Mạng lưới sông Cả đã được trình bày chi tiết tại Mục 2.2.1.5, Chương 2. Dòng chính sông Cả bắt nguồn từ Lào và đổ ra biển tại Cửa Hội. Các nhánh sông lớn gồm: Nậm Mộ, Huổi Nguyên, Khe Choang, Hiếu, Giăng, La. Mạng lưới trạm đo mưa sử dụng để tính toán dòng chảy từ mô hình MIKE NAM là 28 trạm, gồm: 9 trạm khí tượng (Bảng 2.1); 14 trạm thủy văn (Bảng 2.2, không sử dụng trạm Mỹ Lý và Bến Thuỷ); 5 trạm đo mưa (Bảng 2.3, không dùng trạm
đo mưa nhân dân có số liệu mưa ngày: Quế Phong, Nông trường 3/2, Nông trường 1/5, Đông Hiếu). Căn cứ mạng lưới sông và vị trí của trạm đo mưa, lưu vực sông Cả khu vực ngoài đê được chia thành 57 lưu vực con (Bảng 3 - Phần phụ lục). Sử dụng công cụ ArcGIS để số hóa, kết quả được bản đồ phân vùng lưu vực thể hiện tại Hình 3.1.
Hình 3.1: Phân chia các tiểu lưu vực trong mô hình NAM cho lưu vực sông Cả
b) Hiệu chỉnh và kiểm định
Thực tế, trên lưu vực sông Cả, có khá nhiều trạm TV đo lưu lượng. Tuy nhiên, nhiều nhánh sông không có trạm đo, vì vậy cần thiết phải sử dụng mô
hình MIKE NAM để mô phỏng dòng chảy từ mưa làm các biên trên và gia nhập khu giữa cho mô hình MIKE 11. Hiện tại chỉ có 7 trạm TV đo lưu lượng đang hoạt động: Mường Xén, Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Dừa, Yên Thượng, Sơn Diệm, Hoà Duyệt. Trong đó, trạm Mường Xén có lưu vực ở Lào, không có quan trắc lượng mưa; trạm Dừa và Yên Thượng có diện tích khống chế rất lớn và một phần lớn lưu vực thuộc địa phận Lào nên không có trạm quan trắc mưa; sông Ngàn Sâu có độ dốc nhỏ và vùng ngập lụt lớn nên trạm Hoà Duyệt là trạm thuỷ văn bị ảnh hưởng lũ, ngập rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu không chọn các trạm Mường Xén, Dừa, Yên Thượng và Hoà Duyệt để mô phỏng dòng chảy bằng mô hình MIKE NAM. Trạm Cốc Nà, chỉ có số liệu đo đạc lưu lượng 1961- 1976, là trạm có diện tích khống chế nhỏ (F = 416 km2) có thể sử dụng làm lưu vực đại biểu cho các lưu vực lân cận. Các lưu vực sau được chọn để mô phỏng dòng chảy bằng mô hình MIKE NAM:
- Lưu vực sông Hiếu tính đến trạm thủy văn Quỳ Châu (đại diện cho lưu vực sông Hiếu): diện tích khống chế F = 2.000 km2, số liệu quan trắc mưa, mực nước, lưu lượng từ 1961 - 2019;
- Lưu vực sông Ngàn Phố tính đến trạm thủy văn Sơn Diệm: diện tích khống chế F = 790 km2, số liệu quan trắc từ mưa, mực nước, lưu lượng 1961- 2019, từ 1982 - 1996 không có số liệu đo lưu lượng;
- Lưu vực khe Choang tính đến trạm thủy văn Cốc Nà: diện tích khống chế F=416 km2, số liệu quan trắc từ mưa, mực nước, lưu lượng 1961-1976. * Lưu vực Quỳ Châu
Các trận lũ được lựa chọn để hiệu chỉnh mô hình MIKE NAM là các trận lũ lớn, có số liệu quan trắc mưa thời đoạn ngắn và lưu lượng đồng thời. Bao gồm các trận lũ sau:
- Trận lũ 1 để hiệu chỉnh mô hình: thời gian từ 13 - 28/X/2010, có đỉnh lũ là 1.205 m3/s - xuất hiện ngày 17/X/2010.
- Trận lũ 2 để hiệu chỉnh mô hình: thời gian từ 12 - 16/IX/2016, có đỉnh lũ là 4.270 m3/s - xuất hiện ngày 14/IX/2016.
- Trận lũ để kiểm định mô hình: thời gian từ 09 - 16/X/2017, có đỉnh lũ là 2.620 m3/s - xuất hiện ngày 10/X/2017.
Kết quả hiệu chỉnh thể hiện tại Hình 3.2, Hình 3.3 và Bảng 3.1.
Hình 3.2: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán hiệu chỉnh mô hình tại trạm thủy văn Quỳ Châu
Hình 3.3: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán kiểm định mô hình tại trạm thủy văn Quỳ Châu
Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM tại Quỳ Châu
Trận lũ Hệ số Nash- Sutcliffe
Sai số đỉnh lũ ∆Q (%)
Chênh lệch thời gian xuất
hiện đỉnh (h) Sai số tổng lượng (%) Tháng X/2010 0,90 +0,5 -1 -0,5 Tháng IX/2016 0,90 +0,5 -1 +1.8 Tháng X/2017 0,86 -3,8 +3 -7,4
Nhận xét: Quá trình tính toán và thực đo khá phù hợp nhau về xu thế ở sườn lên và xuống của các nhánh lũ; hệ số Nash-Sutcliffe đạt được cao, dao động từ 0,86 ÷ 0,90; sai số đỉnh lũ trong phạm vi nhỏ, dao động từ -3,8 ÷ +0,5%; thời gian xuất hiện đỉnh lũ trong phạm vi ngắn, dao động từ -1÷ +3 giờ; sai số tổng lượng giới hạn trong phạm vi nhỏ, dao động từ -0,5÷ -7,4%. Vì vậy, bộ thông số xác định được tại Bảng 3.4 đáng tin cậy. Bộ thông số này có thể được sử dụng để tính toán quá trình dòng chảy tại Quỳ Châu và các lưu vực tương tự trên lưu vực sông Cả.
* Lưu vực Sơn Diệm
Lựa chọn các trận lũ để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình như sau: - Hiệu chỉnh: trận lũ 1 từ 02/X - 09/X/2007 có đỉnh lũ Qmax=1.010 m3/s xuất hiện ngày 4/X; Trận lũ 2 từ 14/X - 23/X/2010 có 3 đỉnh lũ, trong đó Qmax=2.340 m3/s xuất hiện vào ngày 17/X, hai đỉnh lũ còn lại có Q = 1.690 m3/s và 1.380 m3/s xuất hiện lần lượt vào ngày 15/X và 19/X;
- Kiểm định: trận lũ từ 14/X - 23/X/2013 có đỉnh lũ Qmax=3.120 m3/s xuất hiện vào ngày 17/X.
Hình 3.4: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán hiệu chỉnh mô hình tại trạm thủy văn Sơn Diệm
Hình 3.5: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán kiểm định mô hình tại trạm thủy văn Sơn Diệm
Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE Nam tại Sơn Diệm Trận lũ Hệ số Nash- Sutcliffe Sai số đỉnh lũ ∆Q (%) Chênh lệch thời gian xuất
hiện đỉnh (h) Sai số tổng lượng (%) Tháng X/2007 0,79 +3,8 +2 +3,0 Tháng X/2010 0,86 +0,2 0 +12,0 Tháng X/2013 0,87 -0,1 -2 +20
Nhận xét: Quá trình tính toán và thực đo khá phù hợp nhau về xu thế ở sườn lên và xuống của các nhánh lũ; hệ số Nash-Sutcliffe đạt được cao, dao động từ 0,79 ÷ 0,86; sai số đỉnh lũ trong phạm vi nhỏ, dao động từ -0,1 ÷ +3,8%; thời gian xuất hiện đỉnh lũ trong phạm vi ngắn, dao động từ -2 ÷ +2 h; sai số tổng lượng dao động từ +12,0 ÷ +3,0%. Quá trình hiệu chỉnh trận lũ thứ 2 (Tháng X/2010) được lựa chọn có 2 đỉnh và cho kết quả tốt. Vì vậy, bộ thông số xác định được tại Bảng 3.4 đáng tin cậy. Bộ thông số này có thể được sử dụng để tính toán quá trình dòng chảy tại Sơn Diệm và các lưu vực tương tự trên lưu vực sông La.
* Lưu vực Cốc Nà
Lựa chọn các trận lũ sau để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:
- Hiệu chỉnh: trận lũ 1 từ 24/X - 25/X/1971 có đỉnh lũ Qmax=712 m3/s xuất hiện vào 25/X; trận lũ 2 từ 04/IX - 12/IX/1972 có đỉnh lũ Qmax=807 m3/s xuất hiện vào 07/IX;
- Kiểm định: trận lũ từ 05/XI - 09/XI/1974 có đỉnh lũ Qmax=551 m3/s xuất hiện vào 06/XI.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định thể tại Hình 3.6, Hình 3.7 và Bảng 3.3.
Hình 3.6: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán Hiệu chỉnh mô hình tại trạm thủy văn Cốc Nà
Hình 3.7: Quá trình lưu lượng thực đo và tính toán kiểm định mô hình tại trạm thủy văn Cốc Nà
Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM tại Cốc Nà Trận lũ Hệ số Nash- Sutcliffe Sai số đỉnh lũ ∆Q (%) Chênh lệch thời gian xuất
hiện đỉnh (h) Sai số tổng lượng (%) Tháng X/1971 0,78 +1,0 -1,0 -18 Tháng IX/1972 0,90 -1,1 +1,0 -8,2 Tháng XI/1974 0,83 -4,9 +1,5 -22
Nhận xét: Quá trình tính toán và thực đo khá phù hợp nhau về xu thế ở sườn lên và xuống của các nhánh lũ; hệ số Nash-Sutcliffe-Sutcliffe đạt được cao, dao động từ 0,79 ÷ 0,86; sai số đỉnh lũ trong phạm vi nhỏ, dao động từ +0,2 ÷ +3,8%; thời gian xuất hiện đỉnh lũ trong phạm vi ngắn, dao động từ 1,0 ÷ +1,5h; sai số tổng lượng dao động từ +12,0 ÷ +3,0%. Quá trình hiệu chỉnh trận lũ thứ nhất (Tháng X/2007) được lựa chọn có 2 đỉnh và cho kết quả tốt. Vì vậy, bộ thông số xác định được tại Bảng 3.4 đáng tin cậy. Bộ thông số này có thể được sử dụng để tính toán quá trình dòng chảy tại Cốc Nà và các lưu vực tương tự trên lưu vực sông Cả.
Bảng 3.4: Kết quả thông số mô hình MIKE NAM
Thông số Quỳ Châu Sơn Diệm Cốc Nà
F (km2) 2.000 790 416 Umax 15,3 10,6 16,2 Lmax 189 100 81,3 CQOF 0,85 0,80 0,904 CKIF 107,5 415,7 101,9 CK1,2 15,0 29,8 18,2 TOF 0,664 0,105 0,873 TIF 0,282 0,082 0,511 TG 0,461 0,964 0,313 CKBF 1.342 1.014 1.502
3.1.1.2. Thiết lập mô hình MIKE 11
Đặc trưng mạng thủy lực 1 chiều thiết lập cho hệ thống sông Cả bao gồm 17 sông (Bảng 3.5).
Bảng 3.5. Một số thông tin mạng thủy lực 1D
TT Tên sông Chiều dài (km)
Số mặt
cắt Điểm đầu Điểm cuối 1 Cả 255 223 Cửa Rào Cửa Hội
2 Nậm Mộ 51 43 Mường Xén Cửa Rào 3 Nậm Nơn 16 14 Bản Vẽ Cửa Rào
4 Hiếu 105 48 Quỳ Châu Nhập lưu vào sông Cả 5 Giăng 23 12 Thác Muối Nhập lưu vào sông Cả 6 Trai 11 17 Thanh Hương Nhập lưu vào sông Cả 7 Rộ 15 19 Thanh Thủy Nhập lưu vào sông Cả 8 Hói Triều 9 19 Thanh Mai Nhập lưu vào sông Cả 9 Gang 37 18 Cầu Om Nhập lưu vào sông Cả 10 Ngàn Phố 30 16 Sơn Diệm Linh Cảm
TT Tên sông Chiều dài (km)
Số mặt
cắt Điểm đầu Điểm cuối 12 Ngàn Sâu 92 55 Hố Hô Linh Cảm 13 Hào 6,3 4 Sông La Sông Cả
14 Tiêm 16 20 Kim Sơn Nhập lưu vào sông Ngàn Sâu
15 Rào Nổ 10 20 Đá Hàn Nhập lưu vào sông Ngàn Sâu
16 Ngàn Trươi 19 35 Ngàn Trươi Nhập lưu vào sông Ngàn Sâu
17 La 13 12 Linh Cảm Ngã ba Chợ Tràng
Các biên ở trên gồm: biên lưu lượng tại Mường Xén, Bản Vẽ, Quỳ Châu, Sông Sào, Thác Muối, Thanh Hương, Thanh Thủy, Thanh Mai, Cầu Om, Sơn Diệm, Hố Hô, Đá Hàn, Kim Sơn, Ngàn Trươi. Biên dưới là mực nước tại trạm thủy văn Cửa Hội. Sơ đồ thủy lực một chiều sông Cả được thể hiện tại Hình 3.8.
3.1.1.3. Thiết lập mô hình MIKE 21
Nghiên cứu đã xây dựng lưới tính cho miền tính 2 chiều bao gồm các bãi chứa lũ dọc theo các sông từ các vị trí ở thượng nguồn: Dừa, Sơn Diệm, Hố Hô, Đá Hàn, Ngàn Trươi và Kim Sơn ra đến vị trí hạ nguồn (Cửa Hội). Khu vực này có diện tích là 3.200 km2, được rời rạc hóa thành 89.861 phần tử hữu hạn dạng tam giác (FEM) với kích thước mỗi cạnh ô lưới từ 300 - 400 m cho khu vực có địa hình tương đối bằng phẳng, còn với những khu vực có sự thay đổi nhiều về địa hình như hệ thống giao thông, khu rìa các bờ sông, đê kè, hay các khu dân cư thì lưới tính nhỏ hơn với kích thước thay đổi dần từ 50 - 100 m. Hệ thống các đê ngăn lũ trong tại Bảng 2.10 được đưa vào thiết lập trong mô hình. Kết quả thiết lập mô hình 2D thể hiện tại Hình 3.9. Sau khi xây dựng mạng lưới thủy lực trong MIKE 11 và Mike 21, tiến hành kết nối (coupling) 2 mạng lưới thủy lực, liên kết bên được lựa chọn để kết nối 2 mô hình.
3.1.1.4. Mô phỏng dòng chảy bằng mô hình MIKE FLOOD
a) Thiết lập
Với mạng lưới thủy lực 1D và 2D xây dựng được ở Mục 3.1.1.2 và
3.1.1.3, tiến hành kết nối giữa mô hình 1D & 2D trong mô hình MIKE FLOOD để tính toán ngập lụt Khu vực ngoài đê.
b) Hiệu chỉnh và kiểm định
Quá trình hiệu chỉnh mô hình được thực hiện qua trận lũ từ 15- 26/X/2010. Quá trình kiểm định mô hình được thực hiện qua trận lũ từ 14- 23/X/2013. Vị trí để so sánh mực nước thực đo và tính toán tại 03 trạm thủy
văn: Nam Đàn, Linh Cảm và Chợ Tràng. Ngoài ra, một số vết lũ của 2 trận lũ này cũng được đưa vào để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình (Bảng 3.7 và Bảng 3.9). Kết quả quá trình mực nước thực đo và tính toán thể hiện tại các Hình 3.10a – f. Kết quả tính toán ngập lụt thể hiện tại Hình 3.11 và Hình 3.12 và kết quả đánh giá mô phỏng được lập tại Bảng 3.6 và Bảng 3.8.
Hình 3.9. Miền tính, lưới tính 2 chiều cho Khu vực ngoài đê
(a)
Hình 3.10: Quá trình mực nước hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: a, b, c là quá trình hiệu chỉnh và d, e, f là quá trình kiểm định tại Nam Đàn, Linh Cảm
và Chợ Tràng -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10/13/2010 10/19/2010 10/25/2010 Thực đo Mô phỏng H (m )
Thời gian (Ngày)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10/13/2010 10/19/2010 10/25/2010 Thực đo Mô phỏng H (m ) -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 10/13/2010 10/19/2010 10/25/2010 Thực đo Mô phỏng -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 10/14/2013 10/18/2013 10/22/2013 Thực đo Mô phỏng -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 10/14/2013 10/18/2013 10/22/2013 Thực đo Mô phỏng -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 10/14/2013 10/18/2013 10/22/2013 Thực đo
Thời gian (Ngày)
H
(m
)
Thời gian (Ngày) Thời gian (Ngày)
H (m ) H (m )
Thời gian (Ngày)
H
(m
)
Thời gian (Ngày)
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.11: Kết quả ngập lụt hiệu chỉnh - Trận lũ tháng X/2010
Bảng 3.6. Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE
Trạm thủy văn Hệ số Nash- Sutcliffe Sai số đỉnh lũ ∆H (m) Sai số tổng lượng (%) Nam Đàn 0,93 -0,11 -1,8 Linh Cảm 0,95 - 0,02 +4,7 Chợ Tràng 0,93 + 0,3 +1,5
Bảng 3.7. So sánh mực nước tính toán hiệu chỉnh và điều tra vết lũ tháng X/2010 Vị trí Mực nước tính toán (m) Cao độ vết lũ điều tra (m) Chênh lệch cao độ (m) Vĩ độ Bắc Kinh độ Đông 18,557 105,601 4,81 4,90 -0,09 18,573 105,606 4,87 4,75 0,12 18,555 105,583 4,83 4,94 -0,11 18,585 105,589 4,86 4,80 0,06 18,573 105,586 4,85 4,82 0,03 18,540 105,608 4,82 4,94 -0,12
Bảng 3.8. Tổng hợp kết quả kiểm định mô hình MIKE
Trạm thủy văn Hệ số Nash- Sutcliffe Sai số đỉnh lũ ∆H (m) Sai số tổng lượng (%) Nam Đàn 0,89 - 0,09 +7,4 Linh Cảm 0,93 + 0,31 +10 Chợ Tràng 0,91 + 0,1 +2,6
Bảng 3.9. So sánh mực nước tính toán hiệu chỉnh và điều tra vết lũ tháng X/2013 Vị trí Mực nước tính toán (m) Cao độ vết lũ điều tra (m) Chênh lệch cao độ (m) Vĩ độ Bắc Kinh độ Đông 18,557 105,601 4,06 4,00 0,06 18,573 105,606 4,07 4,17 -0,10 18,555 105,583 4,06 3,98 0,08 18,585 105,589 4,05 3,96 0,09 18,573 105,586 4,08 4,17 -0,09 18,540 105,608 4,02 4,13 -0,11
3.1.1.5. Nhận xét chung:
Quá trình mực nước tính toán và thực đo tại 03 điểm Linh Cảm, Nam Đàn và Chợ Tràng khá phù hợp về xu thế, thời gian xuất hiện đỉnh. Trong đó tại Chợ Tràng là phù hợp nhất với hệ số Nash-Sutcliffe: 0,93 và 0,91, sai số đỉnh lũ ∆H: +0,30 m và +0,10 m, sai số tổng lượng: +1,5% và +2,6%, sai số